付 瑞，施 文，王 利，張晶鑫

(北汽福田汽車股份有限公司,北京 102200)

雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為滿足汽車智能化的需求而開發(fā)的。它具有諸多優(yōu)勢(shì)，正常駕駛時(shí)能夠更輕便地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，具有隨車速變助力、主動(dòng)回正控制等轉(zhuǎn)向特性；可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)泊車、無人駕駛等智能駕駛功能，同時(shí)具有電機(jī)和控制器的備份，以提高無人駕駛系統(tǒng)的安全性。本文以我公司無人駕駛小型客車為例，闡述其雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成、功能及其應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的組成及功能

雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由EPS控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩轉(zhuǎn)角傳感器、蝸輪蝸桿減速增力機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向器總成等組成，如圖1所示。各部件的功能如下：

圖1 雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

1)EPS控制器。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)向管柱上的扭矩傳感器會(huì)“感覺”到轉(zhuǎn)向盤的力矩和擬轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，這些信號(hào)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給EPS控制器，EPS控制器根據(jù)這些信號(hào)以及車速、電流反饋等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，然后根據(jù)設(shè)定的參數(shù)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)就會(huì)根據(jù)具體的需要輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)向助力矩[1]。本文應(yīng)用的雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙EPS控制器冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的安全性。

2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。輸出助力轉(zhuǎn)矩來控制轉(zhuǎn)向器。本文應(yīng)用的雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙電機(jī)冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的安全性[2]。

3)扭矩轉(zhuǎn)角傳感器。感應(yīng)轉(zhuǎn)向軸扭矩和角度的大小方向[3]。

4)蝸輪蝸桿減速增力機(jī)構(gòu)。通過蝸輪蝸桿放大輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加在管柱上的輸入扭矩，把扭矩放大地傳遞到轉(zhuǎn)向器上[4]。

5)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸。傳遞扭矩。

6)轉(zhuǎn)向器總成。轉(zhuǎn)向器進(jìn)一步減速增矩后輸出力和運(yùn)動(dòng)給轉(zhuǎn)向橋左右兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使左右轉(zhuǎn)向輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[5]。

2 系統(tǒng)在無人駕駛小型客車上的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)的安裝

純電動(dòng)無人小型客車可以實(shí)現(xiàn)正常無人駕駛和特殊情況有人駕駛的迅速切換。采用線控底盤系統(tǒng)，2 t麥弗遜空氣獨(dú)立前懸架，2.5 t板簧后懸架，電機(jī)、電控、電池三合一獨(dú)立前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用方向盤或雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩種轉(zhuǎn)向模式(分別對(duì)應(yīng)于有人和無人駕駛模式)。在保證高空間利用率的前提下實(shí)現(xiàn)有人和無人駕駛的并聯(lián)設(shè)計(jì)[6]。

雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無人駕駛小型客車上的安裝設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保有利于裝配、拆檢、保養(yǎng)及維修；要盡可能滿足通用化、系列化的要求；應(yīng)避免與牽引電機(jī)、電機(jī)控制器、懸架等發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。其控制器接插件及傳感器插件接口應(yīng)留有足夠空間進(jìn)行線束的插接及固定。轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸在中間位置時(shí)的夾角≤20°，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸最小長(zhǎng)度≥170 mm。純電動(dòng)無人小型客車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的部件包括：轉(zhuǎn)向盤1、上連接件2、快拆器3、下連接件4、雙電機(jī)電動(dòng)助力器5、管柱固定板6、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸7、轉(zhuǎn)向器總成8。如圖2所示。

圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配關(guān)系

2.2 系統(tǒng)的電氣控制

雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無人駕駛小型客車上的電氣控制流程如圖3所示。車輛啟動(dòng)后，為確保有足夠的轉(zhuǎn)向能力，需要確認(rèn)整車電器處于正常工作狀態(tài)，EPS控制器會(huì)首先讀取牽引電機(jī)或“Ready”狀態(tài)信號(hào)，以確認(rèn)整車的工作狀態(tài)信息。人工駕駛模式下，方向盤正反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，EPS控制器根據(jù)扭矩傳感器檢測(cè)到的方向盤輸入扭矩和當(dāng)前車速計(jì)算需要助力的大小和方向，并向助力電機(jī)發(fā)出電流指令。自動(dòng)駕駛模式下，整車控制器通過CAN總線向EPS控制器發(fā)出轉(zhuǎn)向角指令，EPS控制器接收指令后計(jì)算需要助力的大小和方向，并向助力電機(jī)發(fā)出電流指令。其上電和下電的工作過程如圖4所示：

圖3 電氣控制流程圖

圖4 供電控制圖

1)過程1為啟動(dòng)開關(guān)打開過程。

2)過程2為EPS初始化過程。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不啟動(dòng)，如初始化過程正常則進(jìn)入正常工作模式，如初始化過程異常則進(jìn)入失效模式。

3)過程3為整車啟動(dòng)過程。驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)后，EMS(電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過CAN總線發(fā)送給雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的EPS控制器，系統(tǒng)進(jìn)入助力模式。

4)過程4為有人與無人駕駛轉(zhuǎn)換過程。自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式檢測(cè)到手力介入后轉(zhuǎn)換為正常助力模式，正常助力模式檢測(cè)到自動(dòng)轉(zhuǎn)向指令后轉(zhuǎn)換成自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式。

5)過程5為關(guān)機(jī)過程。當(dāng)車速小于5 km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)閉，雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)機(jī)過程正常完成后，EPS控制器斷電關(guān)機(jī)。

6)過程6為關(guān)機(jī)過程。

7)過程7為CAN報(bào)文丟失過程，系統(tǒng)檢測(cè)不到CAN報(bào)文后進(jìn)入報(bào)文丟失缺省助力模式。

8)過程8為故障發(fā)生過程。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障后進(jìn)入失效保護(hù)模式，停止助力。如果控制器A系統(tǒng)發(fā)生故障，控制器會(huì)立即發(fā)送故障信息，同時(shí)，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的另一臺(tái)電機(jī)控制器B工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電機(jī)控制器的備份，提高無人駕駛系統(tǒng)的安全性。

2.3 控制策略

1)常規(guī)助力模式下的轉(zhuǎn)角伺服控制策略。常規(guī)助力模式下，雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EPS扭矩控制策略如圖5所示:根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩判斷車輛的行駛狀態(tài)，并依據(jù)嵌入的轉(zhuǎn)向助力特性曲線數(shù)據(jù)確定所需的助力大小，由目標(biāo)助力進(jìn)一步判斷決定系統(tǒng)的工作模式，并需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行助力控制、阻尼控制以及回正控制，實(shí)現(xiàn)常規(guī)工況下轉(zhuǎn)向輕便而不失“路感”。

圖5 常規(guī)助力模式下的轉(zhuǎn)角伺服控制策略

2)無人駕駛模式下的轉(zhuǎn)角伺服控制策略。此模式下的轉(zhuǎn)角伺服控制是通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)伺服控制來實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示，控制系統(tǒng)從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。電流環(huán)是分別以電流信號(hào)作為反饋信號(hào)的控制環(huán)節(jié)；速度環(huán)是以速度信號(hào)作為反饋信號(hào)的控制環(huán)節(jié)；位置環(huán)是以位置信號(hào)作為反饋信號(hào)的控制環(huán)節(jié)。電流環(huán)中，電機(jī)的輸出扭矩直接由電流決定，在自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主要起到提高系統(tǒng)機(jī)械特性的作用，其反饋元件為控制器中的電流傳感器；速度環(huán)在伺服系統(tǒng)中主要起到控制轉(zhuǎn)速的作用，其反饋元件為電機(jī)的位置傳感器得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速；位置環(huán)是伺服系統(tǒng)的位置控制單元，其反饋元件為轉(zhuǎn)角傳感器[7-10]。

圖6 無刷電機(jī)閉環(huán)控制框圖

2.4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果和存在的問題

對(duì)裝備上述系統(tǒng)的實(shí)車進(jìn)行測(cè)試:車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，通過整車控制器向EPS控制器發(fā)送自動(dòng)駕駛命令使車輛進(jìn)入無人駕駛模式，EPS控制器接收命令后發(fā)送轉(zhuǎn)向角度階躍指令信號(hào)，并在測(cè)試PC端應(yīng)用CANoe軟件收集到反饋參數(shù)如下：響應(yīng)延遲時(shí)間范圍≤300 ms、最大超調(diào)量10%、穩(wěn)態(tài)誤差±1°、轉(zhuǎn)向速率0°/s～540°/s、轉(zhuǎn)向精度±1°、指令周期范圍≤20 ms。且平均響應(yīng)速度在小角度(5°～30°)范圍受系統(tǒng)性能影響逐漸遞增；大角度(30°～360°)范圍的最大轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在540°/s～600°/s，轉(zhuǎn)向角度控制穩(wěn)定，滿足無人駕駛要求。

實(shí)車測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)該EPS存在以下問題：雙電機(jī)的協(xié)調(diào)同步較差；雙EPS控制器在故障切換過程中會(huì)有輕微抖動(dòng)沖擊的現(xiàn)象；驅(qū)動(dòng)電機(jī)(A、B)體積大所需布置空間大；單純的復(fù)制性冗余難以規(guī)避相同的系統(tǒng)備份所帶來的共因失效。

3 結(jié)束語

雙電機(jī)EPS在無人駕駛小型客車上的試用，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛的轉(zhuǎn)向線控需求，滿足了無人駕駛汽車轉(zhuǎn)向的要求，能夠在較狹窄道路上準(zhǔn)確快速完成轉(zhuǎn)向。為改善系統(tǒng)存在的問題，雙電機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將向體積小、轉(zhuǎn)向冗余安全性更高的雙電機(jī)雙繞組方向發(fā)展。